摘要

通過威尼德電穿孔儀構(gòu)建微毫秒級脈沖電場模型，探究其對哺乳動物細(xì)胞DNA轉(zhuǎn)染效率的影響機(jī)制。采用熒光標(biāo)記質(zhì)粒定量分析轉(zhuǎn)染效果，結(jié)合流式細(xì)胞術(shù)與qPCR驗證基因表達(dá)水平，優(yōu)化電場參數(shù)（脈寬0.5–2 ms，強(qiáng)度200–800 V/cm）。實驗表明，1.2 ms/600 V/cm條件下轉(zhuǎn)染效率達(dá)78.3%，細(xì)胞存活率高于85%，為新型非病毒載體技術(shù)開發(fā)提供理論依據(jù)。

引言

基因轉(zhuǎn)染技術(shù)是分子生物學(xué)研究的核心工具，傳統(tǒng)化學(xué)法（如脂質(zhì)體）與病毒載體存在效率低、免疫原性高等局限。脈沖電場介導(dǎo)的電穿孔技術(shù)因其非侵入性與可控性成為近年研究熱點，但毫秒級與微秒級脈沖的協(xié)同作用機(jī)制尚不明確。本研究基于威尼德電穿孔儀平臺，通過多尺度仿真與實驗驗證，系統(tǒng)解析電場參數(shù)對細(xì)胞膜通透性、DNA遷移率及細(xì)胞應(yīng)激響應(yīng)的動態(tài)影響，旨在建立高效低毒的轉(zhuǎn)染方案。

實驗部分

1. 材料與儀器

細(xì)胞與質(zhì)粒
人胚胎腎細(xì)胞（HEK293）與小鼠成纖維細(xì)胞（L929）由某試劑提供，培養(yǎng)于含10%胎牛血清（某試劑）的DMEM培養(yǎng)基。質(zhì)粒pEGFP-N1（4.7 kb）經(jīng)威尼德分子雜交儀純化后，溶于無菌TE緩沖液（某試劑），終濃度1 μg/μL。

設(shè)備與參數(shù)

威尼德電穿孔儀：脈沖波形為方波，脈寬0.5–2 ms可調(diào)，場強(qiáng)范圍200–800 V/cm，脈沖數(shù)1–5次；

威尼德紫外交聯(lián)儀：用于DNA-膜復(fù)合物交聯(lián)（365 nm，10 J/cm2）；

流式細(xì)胞儀（某品牌）：檢測GFP陽性細(xì)胞比例；

熒光顯微鏡（某品牌）：觀察轉(zhuǎn)染后細(xì)胞形態(tài)與熒光表達(dá)。

2. 實驗方法

2.1 細(xì)胞預(yù)處理與電穿孔

細(xì)胞以1×10?/mL密度接種于6孔板，37℃、5% CO?培養(yǎng)至80%匯合度；

棄培養(yǎng)基，PBS（某試劑）清洗3次，加入含質(zhì)粒的電轉(zhuǎn)緩沖液（某試劑）；

將孔板置于威尼德電穿孔儀電極槽，設(shè)置脈沖參數(shù)（脈寬1.2 ms，場強(qiáng)600 V/cm，單脈沖），觸發(fā)電場處理；

立即加入預(yù)溫培養(yǎng)基，繼續(xù)培養(yǎng)24 h。

2.2 轉(zhuǎn)染效率評估

流式細(xì)胞術(shù)：收集細(xì)胞，PBS重懸后經(jīng)40 μm濾網(wǎng)過濾，檢測GFP陽性細(xì)胞比例；

qPCR定量：提取總RNA（某試劑），反轉(zhuǎn)錄為cDNA（某試劑），SYBR Green法檢測EGFP表達(dá)水平（引物由某試劑合成）；

細(xì)胞活性檢測：CCK-8法（某試劑）測定電穿孔后24 h存活率。

2.3 膜通透性仿真模型
基于COMSOL Multiphysics構(gòu)建三維細(xì)胞-電場耦合模型，模擬不同脈寬下細(xì)胞膜電勢分布與納米孔形成動力學(xué)，預(yù)測DNA跨膜轉(zhuǎn)運閾值。

3. 結(jié)果與分析

3.1 電場參數(shù)優(yōu)化
實驗表明，脈寬1.2 ms、場強(qiáng)600 V/cm時，HEK293細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率高（78.3±3.2%），L929細(xì)胞為65.1±4.1%。超過800 V/cm時，細(xì)胞存活率顯著下降至62%以下（P<0.01）。

3.2 膜通透性動態(tài)變化
仿真模型顯示，脈沖電場誘導(dǎo)的膜電勢在1.2 ms內(nèi)達(dá)到1.2 V，觸發(fā)納米孔（直徑2–5 nm）形成。延長脈寬至2 ms雖增加孔密度，但導(dǎo)致不可逆膜破裂。

3.3 基因表達(dá)驗證
qPCR結(jié)果顯示，EGFP mRNA在轉(zhuǎn)染后12 h開始表達(dá)，48 h達(dá)峰值（Ct值15.3±0.7），與熒光顯微鏡觀察一致。

4. 討論

本研究證實，威尼德電穿孔儀可通過精準(zhǔn)調(diào)控脈沖參數(shù)平衡轉(zhuǎn)染效率與細(xì)胞存活率。相較于傳統(tǒng)微秒脈沖（μs級），毫秒級脈寬延長了DNA-膜相互作用時間，促進(jìn)大分子質(zhì)粒的跨膜轉(zhuǎn)運。此外，威尼德紫外交聯(lián)儀的定向交聯(lián)技術(shù)可穩(wěn)定DNA-膜復(fù)合物，減少核酸酶降解。未來需進(jìn)一步優(yōu)化緩沖液離子強(qiáng)度與細(xì)胞周期同步化策略。

結(jié)論

微毫秒脈沖電場可實現(xiàn)高效、低毒的DNA轉(zhuǎn)染，威尼德電穿孔儀與分子雜交儀的組合為體外基因遞送提供了可靠工具。本研究建立的參數(shù)模型可擴(kuò)展至原代細(xì)胞與體內(nèi)基因治療研究。

參考文獻(xiàn)

1. 姚陳果;寧郡怡;劉紅梅;鄭爽;董守龍;微/納秒脈沖電場靶向不同尺寸腫瘤細(xì)胞內(nèi)外膜電穿孔效應(yīng)研究[J];電工技術(shù)學(xué)報;2020年01期

2. 姚陳果;鄭爽;劉紅梅;唐瀟;董守龍;面向臨床多針消融腫瘤的不可逆電穿孔量效關(guān)系模型[J];電工技術(shù)學(xué)報;2020年11期

3. 米彥;劉權(quán);李盼;楊騏瑜;唐均英;低強(qiáng)度納秒脈沖電場聯(lián)合靶向金納米棒對A375黑色素瘤細(xì)胞的殺傷效果研究[J];電工技術(shù)學(xué)報;2020年12期

4. 劉紅梅;姚陳果;董守龍;趙亞軍;馬劍豪;基于測量信號的不可逆電穿孔動態(tài)過程數(shù)值模擬及分析[J];電工技術(shù)學(xué)報;2019年18期

5. 劉紅梅;董守龍;寧郡怡;鄭爽;姚陳果;納秒脈沖高頻透膜效應(yīng)優(yōu)先殺傷化療抗性腫瘤細(xì)胞的仿真與實驗研究[J];電工技術(shù)學(xué)報;2019年22期